ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN …tapchikhcnln.vnuf.edu.vn/documents/5898355/... · Địa điểm thí nghiệm: Viện Công nghiệp gỗ, Công

Công nghiệp rừng

102 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN NANO

TITANDIOXID (TiO2) ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÀNG TRANG SỨC

TRÊN SẢN PHẨM GỖ

Phạm Thị Ánh Hồng1, Cao Quốc An2 1,2Trường Đại học Lâm nghiệp

TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 đến chất

lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ. Vật liệu nano TiO2 được phân tán trong dung môi Butyl acetate có chất

hoạt động bề mặt LAS ở các nồng độ 0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%; 0,25% trong các mức thời gian 1 giờ, 2 giờ,

3 giờ, 4 giờ, 5 giờ bằng sóng siêu âm và thiết bị khuấy từ, sau đó bổ sung phần sơn bóng PU, chất cứng PU và

khuấy đều với tốc độ 200 - 300 vòng/phút trong 15 phút. Dung dịch chất phủ này được phun lên bề mặt các

mẫu gỗ. Kết quả cho thấy, độ hấp thụ tia cực tím của dung dịch sơn PU có phối trộn nano TiO2 rất mạnh so với

dung dịch sơn PU đối chứng. Chất lượng màng sơn PU-TiO2 đã cải thiện đáng kể hơn so với màng sơn PU đối

chứng: Độ cứng tăng từ 3,29 lên 4,09 H; tỷ lệ tổn thất khối lượng do mài mòn giảm từ 0,1305% xuống

0,1057%; độ bền hoá chất và nước tăng từ mức 4,01 đến mức 5; độ lệch màu ∆E cũng giảm từ 14,85 xuống

9,62, không có hiện tượng nứt hay bong tróc của màng sơn PU-TiO2 trên bề mặt gỗ; đồng thời không có sự

thay đổi đáng kể về cường độ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng cho các nhóm chức cấu trúc hóa học trong màng

sơn PU phối trộn với nano TiO2. Như vậy, để đảm bảo chất lượng trang cho sản phẩm gỗ và đem lại hiệu quả

kinh tế nên sử dụng nano TiO2 ở nồng độ 0,158% và phân tán trong 3,651 giờ là thích hợp.

Từ khóa: Dung môi, màng phủ, nano TiO2, phân tán, sản phẩm gỗ.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trang sức sản phẩm gỗ là công đoạn quan

trọng trong sản xuất đồ mộc với mục đích làm

tăng tính thẩm mỹ và bảo quản sản phẩm. Nó

có thể tiến hành trước hoặc sau khi lắp ráp

thành sản phẩm. Hiện nay, có rất nhiều loại

chất phủ lỏng được dùng trong ngành gỗ như

Nitrocellulose, Polyurethane (PU), Ankyde...

Trong đó, PU được sử dụng phổ biến nhất để

trang sức sản phẩm gỗ bởi chúng có nhiều ưu

điểm như màng sơn khô nhanh, bám dính tốt,

phẳng mịn, có độ cứng và độ bóng cao, giá

thành phù hợp. Tuy nhiên, loại sơn này có

nhược điểm là chịu ánh sáng tự nhiên kém nên

màng sơn dễ bị biến màu, khả năng kháng ẩm

và hóa chất không cao. Do đó, việc nghiên cứu

giải pháp nâng cao chất lượng màng sơn PU

trên bề mặt gỗ là rất cần thiết và có ý nghĩa.

Titanium dioxide (TiO2).là một vật liệu bán

dẫn vùng cấm rộng, màu trắng, từ lâu đã được

ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như:

sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm... Nó là

vật liệu không độc hại, thân thiện với môi

trường, có tính ổn định hóa học cao (Kim và

cộng sự, 2005), có khả năng kháng khuẩn, diệt

nấm mốc và tự làm sạch bề mặt (P A

Charpentier và cộng sự, 2012; Yixing Tang,

2013) và chống được tia UV (Thien Vuong

Nguyen et al, 2016; Mirela Vlad, 2009), có khả

năng kháng ẩm, cải thiện độ bền bám dính, độ

bền va đập (Thien Vuong Nguyen et al., 2016),

có tác dụng làm sạch không khí, làm sạch nước

và có giá thành thấp. Xuất phát từ những lý do

trên, tác giả đã tiến hành nghiên cứu ảnh

hưởng của một số yếu tố công nghệ phân tán

nano TiO2 đến chất lượng màng trang sức trên

bề mặt gỗ.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Gỗ sử dụng cho nghiên cứu là Keo lai (Acacia

auriculiformis x mangium) có = 0,58 g/cm3, độ

tuổi 12 - 14 năm khai thác tại Hòa Bình;

Sơn PU 2 thành phần (sơn lót, sơn bóng) và

chất cứng PU của hãng Oseven; Dung môi

Butyl axetate có độ tinh khiết 99,5%; Chất

hoạt động bề mặt Linear alkyl benzen sunfonic

acid (Las);

Hạt nano Titanium dioxide (TiO2) kích thước

40 nm mua tại Chiết Giang, Trung Quốc, có độ

tinh khiết 98%, màu trắng, dạng bột mịn;


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019 103

Thiết bị sử dụng: Sử dụng thiết bị sóng siêu

âm Ultrasonic Cleaner model PS-40 của Trung

Quốc, thiết bị khuấy từ Hot & Magnetic Stirrer

model MS-300HS của Hàn Quốc, thiết bị phun

sơn tự động Cefla Mito K 01 gồm 4 súng phun;

Địa điểm thí nghiệm: Viện Công nghiệp gỗ,

Công ty TNHH công nghệ Delta Việt Nam; Công

ty TNHH Xây dựng xuất nhập khẩu Hà Lâm.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã tiến hành

thí nghiệm đa yếu tố.

Yếu tố cố định: Dung môi phân tán

Butylacetate đã có chất hoạt động bề mặt LAS

(tỷ lệ nano TiO2 và chất LAS là 1:2 tính theo

khối lượng), tốc độ phân tán 400 - 600

vòng/phút và phân tán ở nhiệt độ thường 25 ±

2oC. Áp suất phun 0,2 MPa đối với sơn lót, sơn

màu và 0,18 MPa đối với sơn bóng; Tốc độ

súng phun sơn lót, sơn màu, sơn bóng: 70

m/phút; Tốc độ băng tải: 4,8 m/phút; Khoảng

cách phun: 20 cm; Độ nhớt khi phun của sơn

lót, sơn màu: 40 mPa.s, sơn bóng 37 mPa.s,

hướng súng phun đi 2 chiều.

Yếu tố thay đổi: Nồng độ nano TiO2 ở 5 mức:

0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%; 0,25%; Thời gian

phân tán nano: 1 giờ; 2 giờ; 3 giờ; 4 giờ; 5 giờ.

Trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực

nghiệm, nhóm tác giả áp dụng kế hoạch trung

tâm hợp thành trực giao với các yếu tố đầ đủ

để xác định ảnh hưởng của 2 yếu tố áp suất và

tốc độ phun đến một số chỉ tiêu chất lượng

màng trang sức. Kế hoạch thực nghiệm bậc 2

được thực hiện ở các mức: Mức trên (+1); mức

dưới (-1); mức trung gian (0); các mức sao mở

rộng (+), (-). Dó đó, ta có bảng thực nghiệm

theo phần mềm xử lý OPT như ở bảng 1.

Bảng 1. Ma trận quy hoạch thực nghiệm

No Dạng mã Dạng thực

X1 X2 Nồng độ nano TiO2 (C, %) Thời gian phân tán (, giờ)

1 -1 -1 0,1 2

2 +1 -1 0,2 2

3 -1 +1 0,1 4

4 +1 +1 0,2 4

5 - 0 0,05 3

6 + 0 0,25 3

7 0 - 0,15 1

8 0 + 0,15 5

9 0 0 0,15 3

Các bước tiến hành thực nghiệm tạo

mẫu nghiên cứu:

Gỗ tròn Keo lai được tiến hành xẻ thanh (xẻ

phá, xẻ lại), sấy đến độ ẩm 10 ± 2%, sau đó bào

bốn mặt và đánh nhẵn đạt 8 (Rmax ≤ 60 µm)

có kích thước: dài x rộng x dày = 350 x 100 x

18 mm, bề mặt phải sạch bụi.

Tiến hành phân tán nano TiO2 vào dung môi

Butyl acetate đã có chất hoạt động bề mặt LAS

bằng thiết bị sóng siêu âm kết hợp với thiết bị

khuấy từ với tốc độ 400 - 600 vòng/phút ở

nhiệt độ thường (theo các chế độ ở bảng 1).

Sau đó, bổ sung phần sơn bóng và chất cứng

PU và khuấy đều bằng máy khuấy từ với tốc

độ 200 - 300 vòng/phút trong 15 phút.

Các bước công nghệ trang sức bề mặt gỗ

bằng sơn PU và PU-TiO2:

Bước 1: Xử lý bề mặt sản phẩm gỗ: Chà

nhám bề mặt gỗ bằng loại giấy 120, 180,

240, 320, sau đó làm sạch bụi gỗ và kiểm tra

độ nhẵn, độ ẩm.

Bước 2: Sơn lót (2 lớp): Tỷ lệ pha sơn:

Sơn lót (2) + Cứng (1) + Dung môi (2,5) (theo

tỷ lệ khối lượng). Sau mỗi lần sơn lót cần sấy

khô và chà nhám màng sơn. Bước 3: Sấy khô và chà nhám màng sơn lót:

Các mẫu gỗ sau khi sơn lót xong để hong phơi

tự nhiên trên các giá ở nhiệt độ thường T = 25



2oC, độ ẩm không khí 65 5%. Sau khi khô

hoàn toàn, tiến hành chà nhám bằng loại giấy

nhám 400, sau đó làm sạch bụi và kiểm tra

chất lượng.

Bước 4: Sơn màu: Tỷ lệ pha sơn: Sơn lót (2)

+ Cứng (1) + Dung môi (2,5) + tinh màu (theo

tỷ lệ khối lượng); Độ nhớt phun: 40 mPa.s; Áp

suất phun: 0,2 MPa;

Bước 5: Sấy khô: Các mẫu gỗ sau khi sơn

màu cũng để hong phơi tự nhiên trên giá ở

nhiệt độ thường T = 25 2oC, độ ẩm không

khí 65 5%.

Bước 6: Sơn bóng: Sơn PU bóng đã phối trộn

với nano TiO2. Tỷ lệ pha: Sơn bóng (2) + Cứng

(1) + Dung môi (3) (theo tỷ lệ khối lượng);

Bước 7: Sấy khô và kiểm tra chất lượng sản

phẩm: Sấy màng sơn khô hoàn toàn, sau đó ổn

định mẫu và cắt mẫu theo các tiêu chuẩn để

kiểm tra chất lượng sản phẩm.

Tiêu chuẩn và phương pháp kiểm tra

chất lượng màng trang sức trên sản phẩm gỗ:

Đo độ hấp phụ tia UV của dung dịch sơn

PU và PU phối trộn nano TiO2 được kiểm tra

bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis,

Model UVS-2800, hãng Labomed-Mỹ, dải

quét bước sóng từ 190 nm đến 900 nm và sử

dụng Cuvet thạch anh để đo mẫu. Độ cứng của

màng sơn được kiểm tra theo ASTMD 3363;

Độ mài mòn của màng sơn theo EN

1339:2000; độ bền hóa chất của màng sơn theo

DIN 68861-1 (nhóm 1A).

Khả năng chống biến màu của màng sơn

kiểm tra bằng đèn UV công suất 40 W, bước

sóng 350 nm; khoảng cách từ đèn tới bề mặt

mẫu: 50 mm, thời gian chiếu tia UV: 960 giờ.

Khả năng chống biến màu của mẫu gỗ đã sơn

phủ được đánh giá bằng sự chênh lệch giữa các

chỉ số màu sắc bề mặt của mẫu trước và sau

khi chiếu tia UV ở các thời điểm 6 giờ, 12 giờ,

24 giờ, 48 giờ, 72 giờ, 96 giờ, 144 giờ, 192

giờ, 240 giờ, 312 giờ, 384 giờ, 456 giờ, 528

giờ, 600 giờ, 672 giờ, 750 giờ, 816 giờ, 888

giờ, 960 giờ. Các chỉ số L*, a*, b* được đo

bằng máy đo màu sắc BYK của hãng sản xuất

BYK-Gardner tại Đức, đo 3 điểm trên 1 mẫu

để xác định giá trị trung bình, sau đó tính các

chỉ số màu theo công thức:

L* = L*UV - L*o (1)

a* = a*UV - a*o (2)

b* = b*UV- b*o (3)

(4)

Trong đó: L*o - Độ sáng màu của mẫu trước

khi chiếu UV, L*UV - Độ sáng màu của mẫu sau

khi chiếu UV, a*o - Chỉ số a* của mẫu trước khi

chiếu UV, a*UV - Chỉ số a* của mẫu sau khi

chiếu UV, b*o - Chỉ số b* của mẫu trước khi

chiếu UV, b*UV - Chỉ số b* của mẫu sau khi

chiếu UV. Số liệu trong nghiên cứu được xử lý

bằng phần mềm excel và phần mềm OPT.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả phổ UV-Vis của dung dịch sơn

PU đối chứng và PU kết hợp với nano TiO2

Kết quả phổ UV-Vis của dung dịch sơn PU

đối chứng và PU phối hợp nano TiO2 được

trình bày ở hình 1, 2.

Bước sóng (nm)

Hình 1. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU đối chứng

222 *** baLE

Độ

hấp

th

ụ



Bước sóng (nm)

Hình 2. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU phối trộn nano TiO2 ở nồng độ 0,15%

Qua kết quả ở hình 1, 2 cho thấy, độ hấp thụ

tia cực tím của dung dịch sơn PU kết hợp với

nano TiO2 ở nồng độ 0,15% rất mạnh so với

dung dịch sơn PU đối chứng. Các hạt nano

TiO2 khi hấp thụ tia cực tím đã tạo ra hiệu ứng

che chắn tia UV cho lớp phủ polyme, do đó

lớp phủ PU có nano có khả năng chống lại tác

nhân gây lão hóa (tia UV) tốt hơn so với lớp

phủ PU đối cứng (Thien Vuong Nguyen et al.,

2016).

3.2. Xác định sự tồn tại hạt nano TiO2 trong

màng sơn PU trên bề mặt gỗ

Kết quả phân tích cấu tạo hiển vi của màng

sơn PU trước và sau khi phối trộn với vật liệu

nano TiO2 được thể hiện từ hình 3 đến hình 12.

Hình 3. Ảnh SEM của màng sơn PU

đối chứng (x4000)

Hình 4. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở

nồng độ 0,05% phân tán trong 3 giờ (x500)





Na no

TiO2

Độ

hấp

th

ụ

Na no

TiO2

Na no

TiO2






nồng độ 0,15% phân tán trong 5 giờ (x5.000)









Kích thước của các hạt nano rất nhỏ cho

phép chúng xâm nhập vào những lỗ siêu nhỏ,

các vùng mao dẫn trong mạng polyme (Thien

Vuong Nguyen et al., 2016). Qua các hình ảnh

SEM cho thấy, trang thái bề mặt của màng sơn

PU đối chứng và màng PU-TiO2 trên bề mặt gỗ

đều không có hiện tượng nứt, bong tróc. Điều

này cho thấy, khi bổ sung vật liệu nano TiO2 ở

các nồng độ và thời gian nghiên cứu vào trong

sơn PU chưa ảnh hưởng rõ rệt đến mối liên kết

tạo mạng của hệ polyme giữa các nhóm chức

NCO (isocyanate) với OH (hydroxyl) của

màng sơn. Mặt khác, màng sơn PU đối chứng

(hình 3) trơn mịn, đồng nhất một màu đen, còn

màng sơn PU-TiO2 ở các nồng độ 0,05%; 0,1%

và 0,15% phân tán ở thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5

giờ cũng trơn mịn và có các hạt nano TiO2 màu

trắng phân tán đều, không có sự kết tụ của hạt

nano trong màng sơn PU (từ hình 4 đến hình

8). Tuy nhiên, màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ

0,2% và 0,25% phân tán trong 3 giờ hoặc ở

nồng độ 0,15% phân tán trong 1 giờ, 2 giờ vẫn

còn có sự khác biệt lớn về màu sắc, cụ thể

trong màng sơn vẫn xuất hiện các vệt màu

Na no

TiO2

Na no

TiO2

Na no

TiO2

Na no

TiO2

Na no

TiO2

Na no

TiO2



trắng của vật liệu TiO2, điều này cho thấy các

hạt nano TiO2 phân tán không đều, vẫn còn

hiện tượng kết tụ thành từng đám trong màng

sơn PU (từ hình 9 đến hình 12). Nguyên nhân

dẫn đến hượng tượng này có thể là do thời gian

phân tán chưa phù hợp.

3.3. Ảnh hưởng đến độ cứng của màng

trang sức Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm OPT

xây dựng được phương trình tương quan giữa

nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ

cứng màng trang sức (công thức 5a và 5b).

Phương trình dạng mã:

Y = 2,575 + 5,011X1 – 0,083X12 + 0,075X2

– 0,250X2X1 + 0,003X22 (5a)

Phương trình dạng thực:

Y = -23,417 + 167,899C – 33,320C2 +

0,733 - 1,000C + 0,00012 (5b)

Đồ thị quan hệ giữa nồng độ và thời gian

phân tán nano TiO2 với độ cứng của màng

trang sức được thể hiện ở hình 13.

Hình 13. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ cứng

của màng trang sức

Kết quả phân tích phương sai (Anova) độ

cứng của màng trang sức ở các nồng độ và thời

gian phân tán nano TiO2: F = 13,868; Fcrit =

1,947348 (F > Fcrit), điều này chứng minh rằng

độ cứng của màng trang sức giữa các nồng độ

và thời gian phân tán nano TiO2 đã có sự sai

khác và hệ số của phương trình đều có ý nghĩa.

Qua biểu đồ ở hình 13 nhận thấy, độ cứng

màng sơn PU-TiO2 cao hơn màng sơn PU đối

chứng vì bản thân nano TiO2 là một ô xít kim

loại nên có độ cứng cao. Khi thay đổi nồng độ

và thời gian phân tán nano TiO2, độ cứng của

màng sơn PU-TiO2 cũng được cải thiện, tăng

từ 3,29 lên 4,09 H (tăng 11,55% đến 28,85%

so với màng sơn PU đối chứng). Cụ thể là khi

nồng độ và thời gian phân tán nano tăng thì độ

cứng của màng trang sức tăng. Ngược lại, khi

nồng độ và thời gian phân tán nano giảm, độ

cứng của màng trang sức giảm. Tuy nhiên, độ

cứng của màng sơn PU-TiO2 ở các chế độ

(nồng độ 0,2% phân tán trong 2 giờ; nồng độ

0,25% phân tán 3 giờ; nồng độ 0,15% phân tán

1 giờ) không đều bởi khi nồng độ nano TiO2

tăng lên, thời gian phân tán ngắn thì các hạt

nano phân tán không đều trong màng sơn PU

(theo kết quả chụp SEM từ hình 9 đến hình 12).

3.4. Ảnh hưởng đến khả năng chịu mài mòn


Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm

OPT xây dựng được phương trình tương quan

giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2

với tỷ lệ khối lượng tổn thất do mài mòn của

màng trang sức (công thức 6a và 6b).


Y = 0,217 – 1,003X1 + 1,972X12 – 0,012X2

+ 0,117X2X1 – 0,001X22 (6a)


Y = 26,168 - 288,915C + 788,879C2 -

0,391 + 2,334C - 0,0012 (6b)


phân tán nano TiO2 với tỷ lệ khối lượng tổn

thất do mài mòn của màng trang sức được thể

hiện ở hình 14.

2.913.36

3.843.47

3.913.29

4.093.62 3.78 3.73

0

1

2

3

4

5

Đối chứng

0,1%2h

0,2%2h

0,1%4h

0,2%4h

0,05%3h

0,25%3h

0,15%1h

0,15%5h

0,15%3h

Độ

cứ

ng

của

màn

g tr

ang

sức

(H)

Nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 (C, %; τ, h)



Hình 14. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với tỷ lệ khối lượng tổn thất

do mài mòn của màng trang sức

Kết quả phân tích phương sai (Anova) tỷ lệ

khối lượng tổn thất do mài mòn của màng

trang sức ở các nồng độ và thời gian phân tán

nano TiO2: F = 46,599; Fcrit = 1,947348 (F >

Fcrit), điều này chứng minh rằng tỷ lệ khối

lượng tổn thất do mài mòn của màng trang sức

giữa các nồng độ và thời gian phân tán nano

TiO2 đã có sự sai khác và hệ số của phương

trình đều có ý nghĩa.

Từ kết quả cho thấy, tỷ lệ tổn thất khối

lượng do mài mòn của màng sơn PU-TiO2 thấp

hơn so với màng sơn PU đối chứng (hình 14).

Nguyên nhân do nano TiO2 là một ô xít kim

loại có độ cứng tương đối cao nên khi cho

nano TiO2 vào trong sơn đã cải thiện được độ

mài mòn của màng sơn. Khi nồng độ và thời

gian phân tán nano TiO2 thay đổi thì tỷ lệ tổn

thất do mài mòn của màng sơn PU-TiO2 cũng

giảm từ 0,1305% xuống 0,1057% (giảm

23,90% xuống 6,05% so với màng sơn PU đối

chứng). Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất khối lượng do

mài mòn của màng sơn PU-TiO2 ở các chế độ

(nồng độ 0,2% phân tán 2 giờ; nồng độ 0,25%

phân tán 3 giờ; nồng độ 0,15% phân tán 1 giờ)

không đều bởi khi nồng độ nano TiO2 tăng,

thời gian phân tán ngắn thì các hạt nano phân

tán không đều trong màng sơn PU (kết quả

chụp SEM từ hình 9 đến hình 12).

3.5. Ảnh hưởng đến độ bền hóa chất và nước Mối quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân

tán nano TiO2 với độ bền hóa chất và nước của

màng trang sức được thể hiện ở hình 15.

Hình 15. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ bền hóa chất và nước

0.13890.1246

0.11490.1228

0.1109

0.1305

0.10570.11740.11450.1166

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

Đối chứng

0,1%2h

0,2%2h

0,1%4h

0,2%4h

0,05%3h

0,25%3h

0,15%1h

0,15%5h

0,15%3h

Tỷ lệ

kh

ối l

ượ

ng

tổn

th

ất m

ài

mò

n c

ủa

màn

g tr

ang

sức

(%)

Nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 (C, %; τ, h)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Đối chứng

0,1% 2h 0,2%2h

0,1%4h

0,2%4h

0,05%3h

0,25%3h

0,15%1h

0,15%5h

0,15%3h

Kh

ả n

ăng

khán

g h

óa

chất

và

nư

ớc

của

màn

g tr

ang

sức

Nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 (C,%; τ, h)

Axít Axetic Natri clorua Amoniac Rượu etylic Cà phê Nước chè Nước



Qua biểu đồ ở hình 15 cho thấy, màng sơn

PU-TiO2 có khả năng kháng hoá chất và nước

tốt hơn so với màng sơn PU đối chứng, thể

hiện rõ nhất ở các nồng độ 0,15%; 0,2%;

0,25% phân tán trong thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5

giờ đều đạt mức 5 tương ứng với màng sơn

không bị thay đổi về màu sắc, độ bóng và cấu

trúc bề mặt. Khi thay đổi nồng độ và thời gian

phân tán nano TiO2, độ bền hoá chất và nước

của màng sơn PU-TiO2 cũng được thay đổi

đáng kể so với màng sơn đối chứng. Cụ thể là

khả năng kháng dung dịch axít của màng sơn

PU-TiO2 tăng từ mức 4,24 lên mức 5; Khả

năng kháng dung dịch Natri clorua của màng

sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,18 lên mức 5; Khả

năng kháng dung dịch Amoniac của màng sơn


năng kháng dung dịch Rượu etylic của màng

sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,01 lên mức 5; Khả

năng kháng dung dịch cà phê của màng sơn


năng kháng dung dịch nước chè của màng sơn


năng kháng dung dịch nước của màng sơn PU-

TiO2 tăng từ mức 4,44 lên mức 5. Nguyên là

do nano TiO2 là một chất trơ về mặt hóa học,

không tan trong axít, bazơ, kỵ nước, có khả

năng diệt khuẩn và tự làm sạch bề mặt. Điều

này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu

của Yixing Tang (2013), P A Charpentier và

cộng sự (2012), Kim và cộng sự (2005).

3.6. Ảnh hưởng đến khả năng chống tia UV


Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm

OPT xây dựng được phương trình tương quan

giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2

với khả năng chống tia UV của màng trang sức

(công thức 7a và 7b).


Y = 17,161 – 44,428X1 + 65,833X12-

0,226X2 + 0,100X2X1 + 0,017X22 (7a)


Y = 34,342 – 184,288C + 263,332C2 -

0,186 + 0,400C - 0,00072 (7b)


phân tán nano TiO2 với độ lệch màu ∆E của

màng trang sức được thể hiện ở hình 16.

Hình 16. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ lệch màu

Kết quả phân tích phương sai (Anova) độ

lệch màu ∆E của màng trang sức ở các nồng độ

và thời gian phân tán nano TiO2: F = 21,488;

Fcrit = 1,947348 (F > Fcrit), điều này chứng

minh rằng độ lệch màu của màng trang sức

giữa các nồng độ và thời gian phân tán nano

TiO2 đã có sự sai khác và hệ số của phương

trình đều có ý nghĩa.

Qua biểu đồ ở hình 16 nhận thấy, màng sơn

PU-TiO2 có khả năng chống tia UV tốt hơn so

với màng sơn PU đối chứng. Khi thay đổi nồng

độ và thời gian phân tán nano TiO2, độ lệch

màu của màng sơn PU-TiO2 cũng giảm từ

14,85 xuống 9,62 (giảm 50,06% xuống 22,90%

so với màng sơn PU đối chứng). Nguyên nhân

dẫn đến màng sơn PU-TiO2 có khả năng chống

tia UV tốt hơn so với màng sơn PU đối chứng

vì bản thân hạt nano TiO2 có khả năng hấp thụ

19.26

12.7810.89

12.3610.37

14.85

9.6211.76 11.34 11.42

0

5

10

15

20

25

Đối chứng

0,1%2h

0,2%2h

0,1%4h

0,2%4h

0,05%3h

0,25%3h

0,15%1h

0,15%5h

0,15%3h

Độ

lệch

màu

củ

a m

àng

tran

g sứ

c

Nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 (C,%; τ, h)



được tia cực tím. Sự hiện diện của các hạt nano

TiO2 đã làm chậm sự hình thành các sản phẩm

oxy hóa (OH, COOH) trong quá trình lão hóa.

Do đó, các hạt nano TiO2 làm giảm sự xuống

cấp của lớp phủ (Thien Vuong Nguyen et al.,

2016).

3.7. Xác định giá trị phù hợp của nồng độ và

thời gian phân tán nano TiO2

Yêu cầu đối với các hàm mục tiêu: Độ cứng

của màng trang sức (Y1) lớn nhất; Khả năng

chịu mài mòn của màng trang sức (Y2) lớn

nhất (Tỷ lệ tổn thất khối lượng do mài mòn

nhỏ nhất); Khả năng chống tia UV của màng

trang sức (Y3) tốt nhất (Độ lệch màu nhỏ nhất).

Từ điều kiện của các hàm mục tiêu ở trên ta

có mô hình bài toán tối ưu như sau:

Y1 = -23,417 + 167,899C – 33,320C2 + 0,733 - 1,000C + 0,00012 Max

Y2 = 26,166 - 288,915C + 788,879C2 - 0,391 + 2,334C - 0,0012 Min

Y3 = 34,342 – 184,288C + 263,332C2 - 0,186 + 0,400C - 0,00072 Min

0,05 C 0,25; 1 5

Sau khi giải hệ phương trình trên, ta thu

được kết quả là: C = 0,158; = 3,651. Vậy giá

trị nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2

phù hợp với điều kiện thí nghiệm: C = 0,158%;

= 3,651 giờ.

Một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức

trên bề mặt gỗ đạt được như sau: Độ cứng của

màng trang sức là: Y1 = 3,6 H; Tỷ lệ tổn thất

khối lượng do mài mòn là: Y2 = 0,1157%; Độ

lệch màu của màng trang sức là: Y3 = 11,42.

3.8. Khảo nghiệm với các giá trị tối ưu C và

tìm được

Tiến hành phân tán nano TiO2 vào sơn PU

bóng và sơn phủ lên bề mặt gỗ theo các thông

số sau: Nồng độ nano TiO2: C = 0,158%; Thời

gian phân tán: = 3,651 giờ; Áp suất phun: P =

0,18 Mpa; Tốc độ phun: T = 70 m/phút. Sau khi

sơn phủ cho các mẫu gỗ, tiến hành kiểm tra các

chỉ tiêu chất lượng trang sức cho các mẫu gỗ.

Kết quả kiểm tra được trình bày ở bảng 5, 6.

Bảng 5. Kết quả chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ với thông số C và thích hợp

Mẫu

Chỉ tiêu chất lượng

Độ cứng, H Tỷ lệ tổn thất do mài

mòn, %

Độ lệch màu sau khi

chiếu tia UV

Màng sơn PU đối chứng 2,80 0,1401 19,27

Màng sơn PU kết hợp với nano TiO2 3,53 0,1158 11,54

Mức độ cải thiện 20,68% 17,34% 40,11%

Bảng 6. So sánh giữa giá trị tính toán được và giá trị thực nghiệm của chất lượng màng trang sức

Giá trị Chỉ tiêu chất lượng

Độ cứng, H Tỷ lệ tổn thất do mài mòn, % Độ lệch màu sau khi chiếu tia UV

Lý thuyết 3,60 0,1157 11,42

Thực nhiệm 3,53 0,1158 11,54

Qua kết quả ở bảng 5 cho thấy, khi thực

nghiệm với các thông số thích hợp đã tìm được

thì các chỉ tiêu chất lượng màng sơn PU phối

hợp nano TiO2 có sự thay đổi rõ rệt so với

màng sơn PU đối chứng. Mặt khác, khi so sánh

giá trị tính toán được và giá trị thực nghiệm

của các chỉ tiêu chất lượng: độ cứng, tỷ lệ tổn

thất khối lượng do mài mòn và độ lệch màu

sau khi chiếu tia UV có sự sai lệch không đáng

kể (Bảng 6). Như vậy, giá trị tối ưu có thể chấp

nhận được.

3.9. Cấu trúc hoá học của màng trang sức

phân tích bằng phổ hồng ngoại Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của

màng sơn PU đối chứng và màng sơn PU-TiO2

ở điều kiện (C = 0,158%; τ = 3,651 giờ) được

thể hiện ở hình 18, 19. Căn cứ vào dữ liệu thu

được từ máy phân tích quang phổ hồng ngoại

và các tài liệu tham khảo (Kim và cộng sự,

2005) để phân tích xác định thuộc tính các

đỉnh (peak) trên phổ của các mẫu màng sơn đối

chứng và màng sơn có nano.



Bảng 7. Thuộc tính phổ IR của màng sơn PU và PU kết hợp với nano TiO2

Số sóng (cm-1) Nhóm chức tương ứng

Sơn đối chứng Sơn có nano

3342,52 3325,61 OH

2926,60 2926,51 CH2

1735,81 1733,22 C=O

1537,64 1537,61 C=NH 1120,75 1121,08 C-O-

741,13 741,22 C6H5

Qua kết quả phân tích phổ hồng ngoại ở

bảng 7 và hình 17, 18 cho thấy, cường độ hấp

thụ hồng ngoại đặc trưng cho các nhóm chức

cấu trúc hóa học trong màng sơn PU phối trộn

nano TiO2 chưa có sự thay đổi đáng kể so với

màng sơn PU đối chứng. Như vậy, khi cho vật

liệu nano TiO2 vào sơn PU ở nồng độ nghiên

cứu chưa ảnh hưởng rõ nét đến các thành phần

của sơn PU, hay nói cách khác, giữa vật liệu

nano TiO2 ở nồng độ nghiên cứu và các thành

phần của sơn PU chưa xảy ra phản ứng hoá học.

Hình 17. Phổ hồng ngoại của màng sơn PU đối chứng

Hình 18. Phổ hồng ngoại của màng sơn PU - TiO2 ở điều kiện (C = 0,158%; τ = 3,651 giờ)

4. KẾT LUẬN Độ hấp thụ tia cực tím của dung dịch sơn

PU có phối trộn nano TiO2 ở nồng độ 0,15%

rất mạnh so với dung dịch sơn PU đối chứng.

Trang thái bề mặt của màng sơn PU đối

chứng và màng PU-TiO2 trên bề mặt gỗ đều



không có hiện tượng nứt, bong tróc. Tuy nhiên,

màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,2% và 0,25%

phân tán trong 3 giờ hoặc ở nồng độ 0,15%

phân tán trong 1 giờ, 2 giờ vẫn có sự khác biệt

lớn về màu sắc.

Khi phân tán nano TiO2 vào trong sơn PU ở

các nồng độ và thời gian nghiên cứu thì chất

lượng màng sơn PU-TiO2 trên bề mặt gỗ đã

được cải thiện đáng kể so với màng sơn PU đối

chứng: độ cứng của màng sơn PU-TiO2 tăng từ

3,29 lên 4,09 H; tỷ lệ tổn thất do mài mòn của

màng sơn PU-TiO2 giảm từ 0,1305% xuống

0,1057%; độ bền hoá chất và nước của màng

sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,01 đến mức 5; độ

lệch màu ∆E giảm từ 14,85 xuống 9,62.

Bài báo đã xác định được giá trị nồng độ và

thời gian phân tán nano TiO2 phù hợp với điều

kiện thí nghiệm là: C = 0,158%; = 3,651 giờ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thien Vuong Nguyen, Tuan Anh Nguyen, Phi

Hung Dao, Van Phuc Mac, Anh Hiep Nguyen, Minh

Thanh Do and The Huu Nguyen (2016). Effect of rutile

titania dioxide nanoparticles on the mechanical

property, thermal stability, weathering resistance and

antibacterial property of styrene acrylic polyurethane

coating. Institute for Tropical Technology, Vietnam

Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam.

Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 7 045015;

2. Kim, T. K., Lee, M. N., Lee, S. H., Park, Y. C.,

Jung, C. K., and Boo, J. H. (2005). Development of

surface coating technology of TiO2 powder and

improvement of photocatalytic activity by surface

modification. Thin Solid Films 475(1-2), 171-177.

3. P A Charpentier, K Burgess, L Wang, R R

Chowdhury, A F Lotus and G Moula (2012). Nano-

TiO2/polyurethane composites for antibacterial and self-

cleaning coatings, Department of Chemical and

Biochemical Engineering, University of Western

Ontario, London, ON, N6A 5B9, Canada, pp: 1-9.

4. Mirela Vlad, Bernard Riedl, Ing. Pierre Blanchet,

Anti-UV waterborne nanocomposite Anti-UV

waterborne nanocomposite coatings for exterior wood

(2009). International Conference on Nanotechnology for

the Forest Products Industry June 23-26, Edmonton,

Alberta, pp: 1-21.

5. Yixing Tang (2013). Self-cleaning Polyurethane

and Polyester Coatings, The School of Graduate and

Postdoctoral Studies, The University of Western Ontario

London, Ontario, Canada, pp: 1-69.

EFFECT OF SOME TECHNOLOGICAL FACTORS DISPERSION

TITANDIOXID (TiO2) NANO TO THE QUALITY OF THE COATING FILM

ON WOOD PRODUCTS

Pham Thi Anh Hong1, Cao Quoc An2 1,2Vietnam National University of Forestry

SUMMARY The article presents results of studies on the effect of concentration and dispersion time of TiO2 nano to the

quality of the coating film on wood surface. TiO2 nano particles were dispersed in Butyl acetate solvent which

has LAS surfactant at the concentrations of 0.05%; 0.1%; 0.15%; 0.2%; 0.25% in 1 hour, 2 hours, 3 hours, 4

hours, 5 hours respectively by ultrasound waves and magnetic stirrers, these solvent was then added gloss PU

coating, PU hardness and stirred with 200 - 300 rpm for 15 minutes. This coating solution was sprayed on the

wood surface samples. The results show that, the ultraviolet absorption of PU coating solution mixed with TiO2

nano was very strong compared to the controlled PU solution. The quality of the PU-TiO2 coating film has been

improved more significantly than the controlled PU coating film: The surface hardness increased from 3.29 to

4.09 H; mass loss rate due to abrasion decreased from 0.1305% to 0.1057%; chemical and water resistance

increased from 4.01 to 5; the color deviation ΔE also decreased from 14.85 to 9.62. No cracking or peeling of

PU-TiO2 coating film on wood surface; simultaneously there is not significantly changed about characteristic

infrared absorption intensity for chemical structure groups in PU coating film mixed with nano TiO2. So, to

ensure the quality of the surface finishing of wood products and bring about economic efficiency, TiO2 nano

particles should be appropriately used at the concentration of 0.158% and in 3.651 hours of dispersion.

Keywords: Coating film, dispersion, solvent, TiO2 nano, wood products.

Ngày nhận bài : 14/8/2018

Ngày phản biện : 23/01/2019

Ngày quyết định đăng : 31/01/2019

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN …tapchikhcnln.vnuf.edu.vn/documents/5898355/... · Địa điểm thí nghiệm: Viện Công nghiệp gỗ, Công

Documents